\chapter{Redes EPON}
\label{ch:redes_epon}

	 
Neste capitulo realizamos um estudo sobre o IEEE 802.3ah EPON, abordando-se a
topologia ponto multiponto em fibra óptica, protocolo nas redes Epon,
distribuição (dowstream) e canal de retorno (upstream).

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\section{Definições do IEEE}
\label{ssec:definicoes}

Com a evolução das redes de computadores e de telecomunicações e suas
convergências, em 2004 o IEEE ratificou o trabalho IEEE 802.3ah [6] do grupo de
estudo EFM  das redes de acesso baseados em tecnologia EPON  Este estudo
consiste num trabalho elaborado muito importante no desenvolvimento de uma nova
tecnologia para a indústria de telecomunicações. Esta tecnologia óptica visa
suprir a demanda nas redes de acesso.


O padrão 802.3ah define os protocolos e detalhes das tecnologias para a Ethernet
na Primeira Milha. A infraestrutura das subáreas deste padrão ficou definida
como ponto a ponto, ponto multi ponto com Operação, Administração e Manutenção
OAM\footnote{Operation, Administration, and Maintenance}.

O local onde geralmente são encontradas as menores velocidades de transferência
na Internet são nas conexões dos usuários finais ao provedor de serviço ou
provedor de conexão. Esta propriedade dificulta a garantia de QoS ponto a ponto.
Esta conexão entre usuário final e provedor é denominada de enlace local, acesso
metropolitano, última milha ou primeira milha.

Várias soluções têm sido utilizadas a fim de prover velocidades crescentes à
primeira milha, o que se conhece pela denominação comercial de acesso em banda
larga. As tecnologias xDSL\footnote{variation of Digital Subscriber Line}, cable
modems 3G, 4G e rádio são as mais empregadas, que oferecem velocidades de transmissão típicas da ordem de 256 kbps a 10 Mbps
para o usuário doméstico\cite{19}.

Assim que o IEEE 802.3u ficou pronto iniciaram-se os trabalhos de uma rede em
barramento ainda mais rápida, denominada IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet). O
objetivo era tornar a rede 10 vezes mais rápida mantendo compatibilidade com os
padrões Ethernet existentes. Todas as configurações deste padrão são ponto a
ponto. Este modelo admite dois modos de operação diferentes: o modo full-duplex
e o modo half-duplex. O modo padrão é o full-duplex, que permite tráfego em
ambos os sentidos ao mesmo tempo. Ele é usado quando existe um ou mais switches
conectados a computadores ou a outros switches. As linhas são armazenadas em um
buffer de forma que cada computador e cada switch é livre para enviar quadros
sempre que quiser. Assim o transmissor não precisa escutar o canal para saber se
ele está sendo usado por mais alguém. A EPON opera em modo full-duplex, não
necessita do protocolo CSMA/CD\footnote{Carrier Sense Multiple Access with
Collission Detection} de acesso ao meio e detecção de colisão, inerente ao Ethernet.

As ONU's olham somente o tráfego vindo da OLT, e não podem ver o tráfego
transmitido por outras ONU’s através da fibra compartilhada. Se houver
necessidade de conexão ponto-a-ponto entre duas ONU’s, isto só pode ser feito
por intermédio da OLT. Cada ONU transmite para a OLT em turnos, usando um
protocolo de multiplexação de acesso por divisão de tempo TDMA. O modo de
operação half-duplex é usado quando os computadores estão conectados a um hub.
Como um hub estabelece conexões internas para todas as linhas simulando o cabo
multiponto, são possíveis colisões e é necessário utilizar o protocolo CSMA/CD 
acesso múltiplo com detecção de portadora e detecção de colisão. O cabeamento
utilizado pode ser de cobre ou de fibra. O sinal de luz deve ter intervalo de 1
ns, inviabilizando a utilização de leds.

No 1000Base-T são utilizados pares categoria 5 (cinco). Como não é possível
enviar um bit em um intervalo de 1 ns neste tipo de quadro, são utilizados 5
níveis de voltagem por intervalo de sinalização, sendo então possível enviar 2
bits por intervalo de sinalização. Utilizando 4 pares é possível enviar 8 bits
por intervalo de sinalização. Como o par trançado categoria 5 (cinco) permite
frequências até 125 MHz, utilizando-se os 4 (quatro) pares pode-se enviar dados
a 1 Gbps.


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\section{O Padrão IEEE 802.3z}
\label{sec:padrao_802.3}


No padrão IEEE 802.3z, Gigabit Ethernet, estão especificados que parte de um
sistema de comunicações é definido pelo modelo de referência OSI  interconexão
de sistemas abertos~\cite{19}. Para a tecnologia do nosso estudo, a norma
IEEE-802.3z está definida na camada de Enlace e Física do modelo de referencia
OSI, conforme desenho da Figura~\ref{fig:fig21}.

\begin{figure}[!h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig21.png}\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Padrão OSI e Padrão das Camadas do Modelo de IEEE 802.3z.}
\label{fig:fig21}
\end{figure}

Estas camadas estão divididas em subcamadas e interfaces, que são definidas para
dispositivos Ethernet operando a taxas de 1,0 Gbps aproximadamente.

O nível físico da norma 802.3z pode ser de diferentes tipos e está estruturado
em três sub-níveis para proporcionar certa independência relativamente ao nível
MAC (Media Access Control) - Controle de Acesso ao Meio.

A subcamada PMD\footnote{Physical Medium Dependent} é responsável pela recepção
e transmissão, a subcamada PMA (Physical Media Attachment) por serializar e deserializar os dados envolvendo
recuperação do relógio e alinhamento de fase e a PCS pela codificação e
decodificação dos mesmos. O esquema de codificação adotado pelo Gigabit Ethernet
é o 8B/10B, também utilizado pelo canal de fibra (Fibre Channel), com a
diferença de que este utiliza uma sinalização de 1,062 Gbaud (1 milhão de
símbolos por segundo) enquanto que a sinalização Gigabit Ethernet ocorre a 1,25
Gbaud (1,25 milhões de símbolos por segundo). A codificação 8B/10B é feita
através do mapeamento de símbolos de 8 bits em paralelo para símbolos de 10 bits
e na decodificação vice-versa onde o GMII\footnote{Gigabit Media Independente
Interface} roda a 125 MHz gerando taxa de transferência de 1000 Mbps.

A subcamada de reconciliação RS\footnote{Reconciliation sublayer} fornece
mapeamento para os sinais da interface GMII até as definições de serviços da
subcamada de controle de acesso ao meio.

A interface GMII do meio gigabit independente GMII – especifica uma interface
entre Gigabit MAC e a camada física de Gigabit PHY (somatório das 3 subcamadas
PCS, PMA e PMD): O objetivo da interface é permitir a interconexão de varios
terminais de dados DTE\footnote{Data Terminal Equipament}  com toda a variedade
de implementação Gigabit da camada física.

A interface do meio dependente MDI\footnote{Medium dependent interface}
especifica os sinais do meio físico e a interface mecânica elétrica entre o meio de transmissão e os dispositivos da camada física.

A subcamada LLC\footnote{Logical Link Control}: Controle Logico do enlace,
define uma parte do acesso ao meio independente da camada de enlace.

A subcamada de enlace controle MAC\footnote{Media Access Control} é uma
subcamada opcional que executa controle e manipulação em tempo real da operação da subcamada MAC. A estrutura e
especificação da subcamada permitem novas funções para ser adicionadas ao padrão
no futuro.

A subcamada de enlace MAC: controle de acesso ao meio, em geral define o
encapsulamento de dados (endereçamento, detecção de erros) e o acesso ao meio
(detecção de colisões).

A Gigabit Ethernet apresenta uma alternativa viável para o atual estado da
tecnologia de acesso.

Os vários tipos de nível físico alternativos para a norma 802.3 são normalmente
representados segundo a seguinte convenção: TTbaseD ou TTbroadD. As letras TT
são substituídas pela taxa de transmissão nominal em Mbits, a letra D é
substituída pelo comprimento máximo de cada segmento, em centenas de metros. Os
segmentos podem ser interligados por repetidores, o comprimento máximo que toda
a rede pode ter é designado de domínio de colisão.

As abreviaturas base e broadband são utilizadas conforme se trate de banda base
(baseband - sinais digitais) ou banda larga (broadband - sinais analógicos).

A rede ótica passiva PON é definida através de única fibra óptica compartilhada,
sendo divida com o uso de  divisores óticos. Estes divisores  dividem o sinal
óptico da fibra em feixes separados, que são por sua vez transportados através
de fibras individuais para cada assinante ou usuário final. O uso do termo
passivo explica-se porque, entre a conexão na central operacional e os usuários
finais não há nenhum equipamento eletrônico ativo dentro da rede (switch),
somente uma conversão óptico-elétrica é necessária em cada ponto de terminação
da fibra. Nesta rede os usuários finais estão ligados via fibras ópticas
dedicadas até os divisores compartilhando única fibra até a central técnica.

Na construção de uma rede EPON tem-se dois tipos de equipamentos que são
denominados de OLT terminal de Linha Ótica e ONU. A OLT fica dentro da Central
operacional, trata-se de um switch Ethernet. A ONU fica no local do usuário
final. A ONU possui uma interface WAN tipo 802.3ah e também uma interface tipo
802.3 para ligação com o assinante.

Na Figura~\ref{fig:fig22}, tem-se uma rede com um OLT na entrada do sistema com
diversas ONU's conectadas a OLT através de um divisor.


\begin{figure}[!h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig22.png}\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Rede com um OLT conectada a diversas ONU's.}
\label{fig:fig22}
\end{figure}


Na Figura~\ref{fig:fig23} tem-se uma topologia semelhante a da
Figura~\ref{fig:fig24}, porém com os equipamentos terminais OLT terminal de
linha óptico e unidade de rede óptica (ONU) identificados na topologia, nesta
opera-se no modo full duplex onde num sentido multiplexam os sinais de
transmissão da OLT para as ONU’s, processo este chamado de downstream e das
ONU’s para a OLT do qual é chamado de upstream, sendo que no downstream
utiliza-se o comprimento de onda da luz em 1490 nm e no upstream 1310 nm, sendo
assim viável a comunicação full-duplex.

As redes EPON não necessitam de protocolo CSMA/CD que provêm acesso múltiplo com
detecção de portadora e detecção de colisão, que evita perda excessiva de
pacotes\cite{17}, inerente ao protocolo Ethernet, pois as ONU’s enxergam somente
o tráfego entrante da Central técnica (CO) ou OLT, e não podem ver o tráfego
transmitido por outras ONU’s através da fibra compartilhada (as ONU’s filtram o
tráfego não direcionado a elas através de protocolo) e se houver necessidade de
conexão ponto-a-ponto entre duas ONU’s, isto só pode ser feito por intermédio da
OLT e ainda as ONU’s transmitem a OLT em turnos, usando um protocolo de
multiplexação de acesso por divisão de tempo TDMA. Este tempo de transmissão
permitido é controlado pela OLT através de protocolos.



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\section{Canal de Distribuição (\textit{Downstream})}
\label{sec:canal_distribuicao}

No canal de distribuição dowstream os pacotes Ethernet são transmitidos pela OLT
e passam através de um divisor que é um divisor óptico passivo com capacidade de
1 x N ou por divisores ópticos  em cascata até a ONU. Por natureza a Ethernet
envia sinais de broadcasting na direção de dowstream, da rede até o usuário,
encaixando perfeitamente com a arquitetura Epon, onde os pacotes são
transmitidos por broadcast pela OLT e são extraídos seletivamente por sua
respectiva ONU de destino, conforme apresentado na Figura~\ref{fig:fig23}.

\begin{figure}[!h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig23.png}\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Tráfego do canal de recepção dowstream com filtragem de quadros
realizada pelas ONU's.}
\label{fig:fig23}
\end{figure}


\begin{figure}[!h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig24.png}\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Tráfego do canal de transmissão upstream com filtragem de quadros
realizada pelas ONU's.}
\label{fig:fig24}
\end{figure}


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\section{Canal de retorno (\textit{Upstream})}
\label{sec:canal_retorno}

 
Na direção de subida upstream, devido as propriedades dos divisores ópticos os
pacotes viajam desde a ONU até a OLT exclusivamente, e não permitindo a
comunicação entre ONU's. No canal de retorno upstream, o comportamento da EPON é
similar a uma arquitetura ponto a ponto. O Epon adota o TDM (multiplexação por
divisão de tempo) no sentido upstream. Cada ONU transmite dos usuários quadros
ethernet para OLT com intervalos de tempo de transmissão diferentes, que é
atribuído pela OLT.

No sentido upstream não há a possibilidade de colisões ou fragmentação. O
controle da largura de banda alocada para todas as ONU são realizados pelo
tamanho da janela de tempo para transmissão. Na direção do caminho das ONU’s
para a OLT o protocolo MPCP usa janelas de tempo durante todas as transmissões
de quadros pelas ONU's.

No padrão IEEE 802.3ah EPON, a ONU poder transmitir toda a largura de banda
upstream da fibra óptica disponível que é de 1 Gbps. Na Figura~\ref{fig:fig24} tem-se
a operação da EPON no sentido upstream, na janela 1 é apresentado a informação que
saiu da ONU 1 para a OLT passando pelo splitter e as demais janelas de tempo é
que estão alocadas para todas as ONU, e os quadros coloridos são os quadros de
dados gerados pelos usuários.